量子纠错的曙光

将数据存储在可以同时存在于多种状态的“量子比特”上的量子计算技术，长期以来一直广受人们追捧，称其有望解决那些传统计算机难以解决的问题。然而用量子位元编码信息是一个非常精妙的过程，实际应用中易受到干扰，导致一些难以发现和纠正的错误。这些错误如果不加以控制，将很快在复杂的量子计算中进一步发酵。因此，真正能够解决复杂问题的量子计算机需要有“容错能力”，即发现错误、而且控制错误不再进一步蔓延的能力。

具备完全容错能力的量子计算并不是一项简单的技术。早在2018年一篇广受关注的演讲和论文中，加州理工学院量子物理学家John Preskill就将其形容为“一个遥不可及的梦想”。

在光学学会会士Christopher Monroe的领导下，美国马里兰大学、杜克大学和佐治亚理工学院的研究人员们最近的一项工作，将为实现这一目标迈进重要的一步。该团队利用Monroe在马里兰大学实验室的离子阱量子计算机，开发出了一种将单个物理量子位组合成一个“逻辑量子位”的方法，不仅能够识别和捕获错误，而且能够纠正错误、并防止错误进一步蔓延的技术（文章见：Nature，doi: 10.1038/s41586-021-03928-y)。

图1美国的一个研究小组展示了一种“逻辑量子位”的容错控制技术,由离子阱芯片上的15个激光控制的离子阱阵列物理量子位组成。这一壮举向完全容错的量子计算机迈出了重要的一步

其技术的关键是一个比组成它的单个物理量子位更可靠的逻辑量子位。团队计划通过将这些逻辑量子位连接到更复杂的逻辑门和其他场景中，来验证这一技术。

“脆弱”的量子系统

科学家们很早就有了将多个物理量子位相结合的“逻辑量子位”的想法，事实上，这一想法一直被视为量子误差校正的基础。实现这一误差校正技术的一大挑战在于，量子位元的状态无法被测量。原因在于测量会破坏量子比特纠缠和多态叠加等量子特性，而这些量子特性正是量子计算具有潜在优势的原因。

将多个冗余的物理量子位结合在一起组成的逻辑量子位，能够在不物理查询量子位的情况下，实现对系统状态的检查。然而此项研究的作者表示，逻辑量子位的量子纠错和容错之间仍然存在着巨大的技术鸿沟。容错计算机不仅要捕获和纠正错误，而且限制“错误在整个系统中的蔓延”，以避免关键电路位置的逻辑错误级联。

尽管有这一技术鸿沟的存在，研究人员依旧在容错量子误差校正方面取得了进展。然而本文作者谦虚的表示，此项研究成果仍然在一些重要方面有待改进。例如，部分设置虽然能够识别故障，但无法提取足够的信息纠正错误。还有部分设置，能够以容错的方式纠正单个量子位错误，但将信息编码到这些量子位或准备这些量子位的量子态的过程本身并不是容错的，在过程中可能会导致其他错误。

目标：端到端容错

研究团队的目标是实现端到端的容错，能够涵盖“量子计算所必需的状态准备、测量、逻辑门和稳定器测量操作”。

图2 Christopher Monroe实验室里装有离子阱量子计算机的盒子

为此，研究人员借助了马里兰大学联合量子研究所（University of Maryland Joint Quantum Institute）门罗实验室的离子阱量子计算平台。这一平台上，32个相同的、被激光冷却的171Yb+离子，被困在真空室中的微制作芯片上的阵列中，作为物理量子位。32个独立可控激光器发出的光来刺激单个离子，实现计算操作。

为了从这些单个的物理量子位中创建一个逻辑量子位，研究人员选择了一种现有的量子纠错码，即所谓的Bacon-Shor编码，它特别适合于离子阱系统。人们已经知道该代码具有纠正任何单量子位错误的能力。而且，特别是在离子阱平台上，它的特性允许相对容易的容错代码编写和测量。

15位离子单链

该团队用15个离子建立了一个单链，其中9个离子作为数据量子比特，另外4个作为Bacon-Shor编码所需的附属量子比特，单链两端的两个空闲量子位元用于推动其他离子进入均匀的空间。研究人员随后在噪声存在的情况下，对这一逻辑量子位进行一系列操作，包括状态准备、测量、逻辑门和稳定器测量等。

状态准备和测量中，逻辑量子位的错误率是0.6%，这一结果比这些步骤中任何单个量子位纠缠操作的最低错误率要低。这一结果清楚地表明，逻辑量子位纠正了单个量子位操作中的错误，制止了这些错误蔓延成更高的错误率。

该团队进一步通过一个简单的Clifford门移动量子位，错误率仅为0.3%。这表明逻辑量子位在控制错误、防止错误传播方面起到了效果。研究人员甚至有意将单量子位错误注入到系统中，结果发现逻辑量子位能够捕获并纠正所有情况下的错误。该团队总结道， “这些结果表明，容错量子系统目前能够实现错误率低于其组成部分的逻辑运算。”

实现完全容错计算的重要里程碑

该研究的第一作者、联合量子研究所的研究生Laird Egan在新闻稿中，将这项新工作描述为“证明量子误差修正可行的真凭实据”。本文的共同作者、杜克大学的Kenneth Brown说，容错纠错将“使人们能用存在缺陷的量子部件，制造出完美的量子计算机”。

然而，从该团队最初的概念验证到实现完全容错量子计算，仍然有很长的路要走。研究人员目前正致力于将该系统扩展到更具挑战性和实用性的量子逻辑门、多步计算的主动纠错，以及多逻辑量子位元系统中。不过，研究人员相信，目前的工作将会是实现量子计算机完全容错的重要里程碑。